TD-SCDMA與DCS1800系統(tǒng)電磁兼容研究

摘 要

從理論計算和計算機(jī)仿真兩方面對TD-SCDMA系統(tǒng)與DCS1800系統(tǒng)間可能存在的干擾類型和干擾大小進(jìn)行研究，給出了兩系統(tǒng)共存時的干擾結(jié)論，并提出了減少干擾所需的規(guī)避措施。

關(guān)鍵詞

TD-SCDMA DCS1800 ACIR MCL 電磁兼容

引言

　　TD-SCDMA系統(tǒng)采用時分雙工(TDD)工作，基于同步CDMA、智能天線(Smart Antenna)、多用戶檢測(MUD:Multi-User Detection)、Turbo編碼技術(shù)、ODMA等新技術(shù)。TD-SCDMA是我國首次擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，已正式成為ITU第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)IMT-2000建議的一個組成部分。根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局《關(guān)于第三代公眾移動通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃問題的通知》(信部無[2002]479 號)將1880～1920 MHz和2010～2025 MHz作為其工作頻段。

　　DCS1800與GSM900的制式標(biāo)準(zhǔn)完全一樣，也被稱為GSM1800。雙工模式為時分雙工，以其較高的網(wǎng)絡(luò)容量成為GSM900在部分“熱點(diǎn)”地區(qū)的有效補(bǔ)充。國家無線電管理機(jī)構(gòu)分配給DCS1800的頻帶為1710～1755 MHz（上行）和1805～1850MHz（下行）。由于TD-SCDMA和DCS1800下行工作頻段相鄰，隨著兩者網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐步展開，研究其間的互擾問題就變得十分有理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。



干擾產(chǎn)生及類型

　　移動通信系統(tǒng)間的干擾主要有:同頻干擾、鄰頻干擾、帶外干擾、互調(diào)干擾和阻塞干擾等。產(chǎn)生這些干擾的原因有很多，例如，原有的專用無線電系統(tǒng)占用現(xiàn)有的頻率資源、不同運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)配置不當(dāng)、發(fā)射機(jī)設(shè)置問題、地理位置重疊、電磁兼容(EMC)以及有意干擾等。

　　工作于不同頻率的系統(tǒng)間的共存干擾，主要是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的非完美性造成的。發(fā)射機(jī)在發(fā)射有用信號時會產(chǎn)生帶外輻射，包括由于調(diào)制引起的鄰頻輻射和帶外雜散輻射，可以用ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio，相鄰頻道泄漏比)來標(biāo)稱接收機(jī)的鄰頻輻射特性。接收機(jī)在接收有用信號的同時，落入信道內(nèi)的干擾信號可能會引起接收機(jī)靈敏度的損失，落入接收帶寬內(nèi)的干擾信號可能會引起帶內(nèi)阻塞，可以分別用ACS(adjacent-channel selectivity,鄰信道選擇性)和阻塞性來標(biāo)稱。發(fā)射機(jī)ACLR與接收機(jī)ACS共同的作用效果可以用ACIR(Adjacent Channel Interference Ratio 鄰信道干擾比)來標(biāo)稱，它們的關(guān)系如公式(1)所示:



　　由于DCS1800的下行和TD-SCDMA在1880MHz處位于相鄰頻段，因此會存在DCS1800基站與TD-SCDMA的基站和終端之間的干擾，具體可分為:

* DCS1800下行對TD-SCDMA上行的干擾;

* DCS1800下行對TD-SCDMA下行的干擾;

* TD-SCDMA上行對DCS1800下行的干擾;

* TD-SCDMA下行對DCS1800下行的干擾。

分析方法

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，干擾分析主要有兩種方法:確定性計算方法和Monte-Carlo靜態(tài)仿真方法，下面將分別應(yīng)用以上兩種方法對DCS1800與TD-SCDMA間干擾進(jìn)行分析闡述。

　　3.1 理論分析估算

　　TD-SCDMA無線設(shè)備的(用戶終端和基站)工作頻段為1880 MHz～1920 MHz，距離DCS1800最近的頻點(diǎn)的中心頻率為1880.8 MHz，當(dāng)其工作于此頻率時受到DCS1800系統(tǒng)干擾最為嚴(yán)重，現(xiàn)就這種最典型的情況進(jìn)行理論分析。

　　DCS1800距離TD-SCDMA最近的頻點(diǎn)中心頻率為1879.9 MHZ，與TD-SCDMA邊緣頻點(diǎn)的中心頻率頻差f-offset=0.9 MHz，在0.6～1.2 MHz范圍之內(nèi)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]與表1可求得相鄰信道的接收功率Padj，如公式(2):

Padj=-70 dBm+10lg(0.2/0.1)=-67 dBm (2)

　　DCS1800基站發(fā)射功率為40 dBm，則ACLR=40 dBm-(-67 dBm)=107 dB，因f-offset在TD-SCDMA的Δf之內(nèi)，TD-SCDMA基站的ACS=45 dB，根據(jù)公式(1)，得到在以上假設(shè)條件下，DCS1800基站對TD-SCDMA基站固有的ACIR≈45 dB。



　　TD-SCDMA基站接收到的DCS1800基站的干擾信號如公式(3)所示:

I=PTx+GTx-Pathloss+GRx-ACIR-ΔL (3)

　　其中：I為接收端干擾信號功率，PTx為DCS1800基站的發(fā)送信號功率，GTx為發(fā)送天線增益，Pathloss為DCS1800基站與TD-SCDMA基站間路徑損耗，GRx為接收端天線增益，為鄰道干擾比，ΔL為額外引入的隔離度。

　　引入最小耦合損耗MCL(Minimum Coupling Loss)影響如公式(4)所示:

MCL=Pathloss=GTx=GRx (4)

將公式(4)代入公式(3)中得到公式(5)

ΔL=PTx-ACIR-MCL-I (5)

(Receiver Sensitivity)與接收機(jī)熱噪聲功率PThermaloise的關(guān)系如公式(6)所示:

RS=PThermaloise+C/Itarget (6)

最小接收功率為-110 dBm，對應(yīng)最大干擾電平值Imax為-106 dBm，考慮0.5 dB的余量，則最大干擾電平為-106.5 dB�？傻妙~外隔離度ΔL與最大隔離度L分別為

ΔL=40-45-MCI-(-106.5)=101.5 dB-MCL (7)

L=PTx-ACIR+GTx+GRx-I=121.5 dB (8)

　　由于現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中DCS1800系統(tǒng)采用多載波運(yùn)營，理論評估時所選頻點(diǎn)的頻差最小，相應(yīng)的基站間路徑損耗又為最小耦合損耗MCL，因此，算得的所需額外隔離度會比實(shí)際系統(tǒng)中偏大一些。所需額外隔離度ΔL與MCL取值的關(guān)系如表2所示。



　　基站之間的路徑損耗與所處的環(huán)境有關(guān)，對于視距來說，基站之間的隔離距離可用自由空間傳播模型來計算;就市區(qū)而言，基站之間很可能不在視距內(nèi)，這時的隔離距離需要用其它傳播模塊來求，所需最大保護(hù)距離與傳播模型關(guān)系如表3所示。



　　以上方法只適于理論上估計和分析，所得出結(jié)論與實(shí)際系統(tǒng)有一定差距，但該方法簡單高效，并具一定指導(dǎo)意義。

　　3.2 Monte-Carlo仿真方法

　　采用3GPPTR25.942建議的Monte-Carlo靜態(tài)仿真方法，在DCS1800和TD-SCDMA兩個系統(tǒng)正常運(yùn)行時進(jìn)行有限次快照(snapshot)，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出兩個系統(tǒng)之間的干擾狀況。

　　仿真基于宏小區(qū)（Macro）六邊形蜂窩模型，小區(qū)半徑R=577米，采用三扇區(qū)wrap around拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共61×3個小區(qū)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)在中心19×3個小區(qū)收集。在每次快照下，用戶均服從統(tǒng)計均勻分布，這樣就可以利用有限次的快照來模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中用戶各種位置的可能性。

　　DCS1800系統(tǒng)的相關(guān)仿真參數(shù)見表4，（傳播模型及其它參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[3]）。在仿真平臺內(nèi)，DCS1800可根據(jù)用戶設(shè)定，采用多種頻率復(fù)用方案，并可選用小區(qū)簇內(nèi)頻點(diǎn)預(yù)留和動態(tài)分配技術(shù)，結(jié)合多種接納控制算法，使其頻譜利用率和系統(tǒng)容量顯著增加。



　　TD-SCDMA的相關(guān)仿真參數(shù)見表5。在仿真中TD-SCDMA系統(tǒng)采用自適應(yīng)智能天線技術(shù)，天線主波束自動跟蹤通信用戶，通過波束賦形增大天線的有效增益，另外，由于采用智能天線技術(shù)引入了空間分集，利用多徑的能量改善性能，減少多址干擾，大大提升了系統(tǒng)的性能。同時仿真中還采用了基于C/I的理想開環(huán)和閉環(huán)功率控制，有效抑制系統(tǒng)中的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，增大容量。



　　DCS1800和TD-SCDMA系統(tǒng)上、下行容量均采用95%用戶滿意率準(zhǔn)則，TD-SCDMA不超過16碼道限制，上下行容量如下所示:



　　由Monte-Carlo仿真所得數(shù)據(jù)更加接近實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)運(yùn)營情況，對頻率規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化都極具指導(dǎo)意義，具體仿真結(jié)果見下章。

仿真結(jié)果

　　4.1 DCS1800下行干擾TD-SCDMA上行

　　從圖2，圖3，圖4可以得出以下結(jié)論:





　　1. 增大MCL相當(dāng)于增大共址基站之間的保護(hù)距離，降低了干擾，TD-SCDMA上行容量損失也隨之減小。當(dāng)MCL=50 dB、70 dB、80 dB時，要保證容量損失<5%，所需最小ACIR分別為88 dB、72 dB、66 dB，由于DCS1800基站對TD-SCDMA基站固有的ACIR為45 dB，所需額外保護(hù)分別為43 dB、27 dB、21 dB，較理論分析值稍小，原因在前面章節(jié)已經(jīng)闡述。

　　2. 兩系統(tǒng)基站間距增大后，相應(yīng)的干擾鏈路的路徑損耗增大，干擾降低，TD-SCDMA上行容量損失也隨之減小，當(dāng)D=0m、288.5m、577m時，要保證容量損失<5%，所需最小ACIR分別為88 dB、75 dB、73 dB。

　　3.當(dāng)兩基站共址，小區(qū)半徑增大后，為了覆蓋更大的范圍，DCS1800基站的平均發(fā)射功率會隨之增大，而TD-SCDMA小區(qū)邊緣用戶雖然經(jīng)過功率控制，但其上行發(fā)射信號在接收端的有用功率還是有較大概率減小，這樣要滿足相同的容量損失，就需要更大的ACIR。當(dāng)R=577m、1000m時，要保證容量損失<5%，所需最小ACIR分別為66 dB、69 dB。

　　4.2 DCS1800下行干擾TD-SCDMA下行

　　當(dāng)DCS1800 BTS干擾TD-SCDMA MS時，由圖5，圖6，圖7可以得出以下結(jié)論：



　　1. 增大MCL，相當(dāng)于對DCS1800基站到TD-SCDMA終端增加了保護(hù)距離，加大了干擾鏈路的路徑損耗，TD-SCDMA下行所受干擾和容量損失也隨之減小，當(dāng)MCL=50 dB、70 dB時，要保證容量損失<5%，所需最小ACIR分別為15 dB、12.5 dB。

　　2. 當(dāng)兩系統(tǒng)基站間距增大時，位于TD-SCDMA小區(qū)邊緣的用戶，從統(tǒng)計上多處于臨近的DCS1800基站中心附近，受到的外系統(tǒng)平均干擾增加，進(jìn)行功率控制后，基站下行平均發(fā)射功率增大，勢必導(dǎo)致對其它用戶的下行造成較大程度干擾。TD-SCDMA下行受到的內(nèi)外系統(tǒng)干擾都增大，容量也因此降低，所以TD-SCDMA下行容量損失會隨基站間距增大而增大，當(dāng)D=0m、288.5m、577m時，要保證容量損失<5%，所需最小ACIR分別為15dB、32dB、34dB。




　　3. 當(dāng)兩基站共址，小區(qū)半徑增大后，TD-SCDMA下行所受干擾增大，當(dāng)R=577m、1000m時，要保證容量損失<5%，所需最小ACIR分別為12.5 dB、14 dB。

　　共存的可行性分析

　　由以上分析可知影響兩系統(tǒng)共存的最大因素為DCS1800下行對TD-SCDMA上行的干擾，這種干擾不能消除，只能盡量減小;而DCS1800 下行對TD-SCDMA下行的干擾較小，可以通過適當(dāng)措施避免。下面介紹幾種常用降低干擾的保護(hù)措施。

　　1.使用頻率保護(hù)帶

　　使用頻率保護(hù)帶是一種比較通用、適用于全網(wǎng)的方法。不過由于DCS1800和TD-SCDMA具有不同的信號帶寬，有限的頻率保護(hù)帶只對DCS1800的ACLR改善較大，例如，當(dāng)兩系統(tǒng)有0.5MHz頻率間隔時，DCS1800基站的ACLR=110dB，但對TD-SCDMA的ACS基本沒有改變，所以使用有限的保護(hù)頻帶對ACIR的改善并不明顯。雖然這種方法不能有效降低DCS1800對TD-SCDMA的干擾，但它卻降低了DCS1800系統(tǒng)滿足這一指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要求。

　　2. 增加天線間的最小耦合損失

　　增加天線間的最小耦合損失（MCL）是經(jīng)濟(jì)且有效的方法。可以通過調(diào)整天線的下傾角，選用不同方向角或調(diào)整兩系統(tǒng)天線的水平垂直隔離距離等方法提高天線間的最小耦合損失，從而有效降低干擾。

　　3. 采用共存濾波器

　　采用共存濾波器是一種比較靈活有效的方法，既可以用于DCS1800發(fā)射端，也可以用在TD-SCDMA接收端來改善其ACS參數(shù)，但對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)來說其造價也是極為可觀的。

　　4. 采用功放的線性化技術(shù)

　　采用功放的線性化技術(shù)可以降低射頻的非線性，從而減少由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的非線性帶來的帶外輻射干擾和雜散干擾。

　　5. 合理的多運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

　　運(yùn)營商在布網(wǎng)時應(yīng)合理規(guī)劃，盡量避免工作頻率較近不同系統(tǒng)的基站共址工作，增加一定的空間隔離度能有效減小相互間的干擾。

結(jié)論

　　通過理論分析和仿真結(jié)果我們可以看出，DCS1800系統(tǒng)與TD-SCDMA系統(tǒng)在1880MHz頻段處存在鄰頻干擾，其中DCS1800下行造成TD-SCDMA上行的容量損失最為嚴(yán)重，而其他情況的干擾造成的容量損失都相對較小，可以通過簡單的規(guī)避措施避免。建議采取以上規(guī)避措施，實(shí)現(xiàn)兩種系統(tǒng)有效共存。

參考文獻(xiàn)

[1]. 3GPPTR25.942 v.4.0.0-2002, RF system scenarios [S].

[2]. ETSI TS 100 910 V8.18.0 Radio Transmission and Reception [S].

[3]. 3GPP TR 43.030 V5.2.0 Radio Access Network Radio network planning aspects [S].

[4]. 黃標(biāo). 彭木根. 王文博，第三代移動通信系統(tǒng)干擾共存研究[J].電信科學(xué) 2003.07

[5]. 彭木根.黃標(biāo)，第三代移動通信系統(tǒng)FDDTDD之間頻率干擾研究上[J].中國無線電2005.3